BÁO cáo môn học điều KHIỂN QUÁ TRÌNH đề tài tìm HIỂU về cảm BIẾN vị TRÍ và DỊCH CHUYỂN

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO MƠN HỌC ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN NHĨM 13 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cám ơn thầy TS Lê Anh Tuấn tận tình giảng dạy giúp chúng em có tảng vững để hồn thành đề tài này! ii DANH SÁCH NHĨM Tên Nguyễn Hồng Anh MSSV Nhiệm vụ Phần Mức độ hồn thành 41900325 Tìm hiểu cảm biến siêu âm, thi công thiết kế mạch, giải thích nguyên lí hoạt động Tổng hợp chỉnh sửa báo cáo 41901122 Mơ proteus mạch,tìm hiểu nguyên tắc thiết kế, tìm hiểu cảm biến điện cảm 99% Trần Trà My 41900473 Viết báo cáo, tìm hiểu cảm biến quang, thiết kế power point, viết báo cáo 98% Lê Nhật Nguyên 41900251 Tìm hiểu cảm biến điện dung, lý thuyết thông số phần cứng,thi công thiết kế mạch thực tế Chỉnh sửa power point 41901080 Tìm hiểu cảm biến điện trở Tổng hợp thiết kế power point ,viết báo cáo 100% (nhóm trưởng) Nguyễn Thanh Như Nguyễn Anh Đức iii 96% 97% Mục Lục CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỆN THẾ KẾ ĐIỆN TRỞ 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Cấu tạo nguyên lí làm việc .5 1.1.3 Các đặc trưng 1.1.4 Ưu điểm, nhược điểm ứng dụng .7 CẢM BIẾN ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG SÓNG ĐÀN HỒI 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Nguyên lí hoạt động 1.2.3 Ưu điểm nhược điểm 10 1.2.4 Ứng dụng thực tế .11 CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM 19 1.3.1 Định nghĩa 19 1.3.2 Ứng dụng 22 CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 23 1.4.1 Định nghĩa 23 1.4.2 Cảm biến tụ điện đơn 23 1.4.3 Cảm biến tu kép vi sai .25 1.4.4 Cảm biến mạch đo .25 1.4.5 Ứng dụng 26 CẢM BIẾN QUANG .27 1.5.1 Định nghĩa 27 1.5.2 Cấu tạo nguyên lí hoạt động 28 1.5.3 Các loại cảm biến quang 28 1.5.4 Ứng dụng cảm biến quang 32 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH 33 2.1.1 Linh kiện sử dụng mạch: 33 2.1.2 Thiết kế mạch 35 iv BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỆN THẾ KẾ ĐIỆN TRỞ 1.1.1 Định nghĩa Loại cảm biến có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn khơng địi hỏi mạch điện đặt biệt để xử lý tín hiệu Tuy nhiên với điện kế điện trở có chạy học có cọ xát gây ồn gây mòn, số lần sử dụng thấp chịu ảnh hưởng lớn mơi trường có bụi ẩm 1.1.2 Cấu tạo nguyên lí làm việc Cảm biến gồm điện trở cố định Rn, có tiếp xúc điện di chuyển gọi chạy Con chạy liên kết học với vật chuyển động cần khảo sát Giá trị điện trở Rx chạy đầu điện trở Rn hàm phụ thuộc vào vị trí chạy, vị trí vật chuyển động Các điện trở chế tạo có dạng cuộng dây băng dẫn BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang Các điện trở dạng cuộn dây thường chế tạo từ hợp kim Ni – Cr, Ni – Cu – Fe, Ag – Pd quấn thành vòng xoăn dạng lò xo lõi cách điện (bằng thủy tinh, gốm nhựa), vòng dây cách điện emay lớp oxyt bề mặt Các điện trở băng dẫn chế tạo chất dẻo trộn bột dẫn điện cácbon kim loại cỡ hạt ~10^-2um Các điện trở chế tạo với giá trị Rn nằm khoảng 1k Ohm đến 100k Ohm, đạt tới M Ohm Các chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ dần ổn định 1.1.3 Các đặc trưng Khoảng chạy có ích chạy: Thơng thường đầu cuối đường chạy chạy tỉ số Rx/Rn khơng ổn định Khoảng chạy có ích khoảng thay đổi x mà khoảng Rx hàm tuyến tính dịch chuyển BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang Năng suất phân giải: Đối với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định lượng dịch chuyển cực đại cần thiết để đưa chạy từ vị trí tiếp xúc sang vị trí tiếp xúc lân cận Giả sử cuộn dây có n vịng dây, phân biệt 2n-2 vị trí khác điện chạy:  N vị trí tiếp xúc với vịng dây  N – vị trí tiếp xúc với hai vòng dây Độ phân giải điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng đường kính dây điện trở khoảng ~10um Độ phân giải điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích thước hạt, thường vào cỡ ~0,1um Thời gian sống: Thời gian sống điện kế số lần sử dụng điện kế Nguyên nhân gây hư hỏng hạn chế thời gian sống điện kế mài mòn chạy dây điện trở trình làm việc Thường thời gian sống điện kế dạng dây dẫn vào cỡ 10^6 lần, điện kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.10^7 – 10^8 lần 1.1.4 Ưu điểm, nhược điểm ứng dụng *Ưu điểm  Rẻ tiền  Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng  Đo khoảng dịch chuyển lớn *Nhược điểm  Bị ảnh hưởng bụi ẩm BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang  Tuổi thọ kém, mau bị hao mòn *Ứng dụng: Đo mực chất lỏng BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang CẢM BIẾN ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG SÓNG ĐÀN HỒI 1.2.1 Khái niệm Siêu âm sóng học có tần số lớn tần số âm nghe thấy ( 20kHz) Thính giác người nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm( vài chục Hz)đến âm cao( gần 20kHz) 1.2.2 Nguyên lí hoạt động Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm Là loại cảm biến sử dụng sóng siêu âm phát từ đầu cảm biến tác động lên mặt phẳng mặt nước, kính, vách tường, mặt phẳng loại dung dịch miễn có diện tích đủ lớn, từ xác định khoảng cách từ đầu cảm biến đến mặt phẳng, khoảng cách thay đổi tín hiệu ngõ cảm biến xuất thay đổi theo, với dạng tín hiệu 420mA 0-10VDC đưa điều khiển hiển thị Cảm biến gồm phần : phần phát r sóng siêu âm phần thu sóng siêu âm phản xạ Cảm biến phát sóng siêu âm có chướng ngại vật đường đi, sóng siêu âm phản xạ lại tác động lên module nhận sóng Đo khoảng cách từ lúc phát nhận sóng ta tính khồng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật Công thức : 𝐿0 = v: vận tốc siêu âm( 343m/s khơng khí) t: thời gian từ lúc phát đến lúc thu 𝑣𝑡 𝑐𝑜𝑠𝜃 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 10 1.2.3 Ưu điểm nhược điểm *Ưu điểm  Đo khoảng cách rời rạc vật di chuyển  Ít bị ảnh hưởng vật liệu bề mặt  Không ảnh hưởng màu sắc  Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách  Có thể phát vật nhỏ khồng cách xa *Nhược điểm  Sóng đàn hồi bị ảnh hưởng sóng âm (tạp âm)  Cần khoảng thời gian sau lần phát sóng để nhận xong phản hồi => Chậm cảm biến khác  Khó phát vật có mật độ vật thấp khoảng cách xa BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 25 1.4.3 Cảm biến tu kép vi sai Tụ kép vi sai có khoảng cách cực biến thiên dịch chuyển thẳng có diện tích cực biến thiên dịch chuyển quay dịch chuyển thẳng gồm ba cực Bản cực động A1 dịch chuyển hai cực cố định A2 A3 tạo thành với hai cực hai tụ điện có điện dung C21 C31 biến thiên ngược chiều Độ nhạy độ tuyến tính tụ kép vi sai cao tụ đơn lực tương hỗ cực triệt tiêu lẫn ngược chiều 1.4.4 Cảm biến mạch đo Thông thường mạch đo dùng với cảm biến điện dung mạch cầu khơng cân cung cấp dịng xoay chiều Mạch đo cần thoả mãn yêu cầu sau:  Tổng trở đầu vào tức tổng trở đường chéo cầu phải thật lớn  Các dây dẫn phải bọc kim loại để tránh ảnh hưởng điện trường ngồi  Khơng mắc điện trở song song với cảm biến  Chống ẩm tốt BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 26 1.4.5 Ứng dụng Cảm biến điện dung sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực nay, ví dụ ứng dụng phổ biến chúng:  Đo hàm lượng nước đất, lượng nước đất thay đổi đầu cảm biến cảm nhận mà đưa trình trạng lượng nước Ứng dụng dùng cho hệ thống tưới nông nghiệp tiêu, cà phê,…  Giám sát Cure vật liệu composite: đo lường phản ứng điện nhựa nhiệt rắn ma trận vật liệu composite độ sâu định bề mặt cảm biến  Đo lường giải phóng mặt thử nghiệm máy nghiền  Đo mức độ số vật liệu chất rắn phễu, silo, bể chứa nhiên liệu Các hãng sản xuất cảm biến điện dung: Omron (Nhật Bản), Autonics (Hàn Quốc)… BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 27 CẢM BIẾN QUANG 1.5.1 Định nghĩa Cảm biến quang tiếng Anh gọi Photoelectric sensor tạo thành linh kiện quang điện Đây thiết bị phát chùm tia sáng chiếu vào vật thể dạng tần số khiến chúng thay đổi tính chất cần phát điện Khi vật thể qua ảnh hưởng đến tần số thu sáng Dựa vào tượng phát xạ điện tử cực Cathode tín hiệu quang chuyển đổi thành tín hiệu điện mà có nguồn ánh sáng chiếu vào BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 28 1.5.2 Cấu tạo nguyên lí hoạt động *Cấu tạo: Cảm biến quang cấu thành từ phận phát ánh sáng, thu ánh sáng bo mạch xử lý tín hiệu điện  Bộ phát ánh sáng: Bộ phận đảm nhận vị trí cảm biến quang nhiệt, phát ánh sáng dạng xung Tùy vào hãng sản xuất có tần số ánh sáng riêng biệt thiết kế Bộ phận bổ trợ cho phận thu ánh sáng phận biệt nguồn sáng từ cảm biến nhiều nguồn khác  Bộ phận thu sáng: Bộ phận phận tiếp nhận ánh sáng sau truyền tín hiệu đến phận xử lý  Mạch xử lý tín hiệu điện: Bộ phận tiếp nhận tín hiệu từ phận thu sáng chuyển tín hiệu theo tỉ lệ tranzito thành chế độ ON/OFF, tín hiệu có độ khuếch đại rộng *Nguyên lí hoạt động: Bộ phận phát sáng phát ánh sáng dạng tần số, từ phận thu sáng tiếp nhận ánh sáng phân loại chuyển đến phận xử lý tín hiệu điện Ở tín hiệu chuyển đổi theo tỉ lệ tranzito thành hai chế độ ON/OFF Và tín hiệu dùng NPN, PNP 1.5.3 Các loại cảm biến quang *Cảm biến quang thu phát độc lập:  Đây loại cảm biến tính phản xạ, hoạt động có phát sáng thu sáng đặt đối diện Không bị ảnh hưởng tới tác động khác bề mặt, màu sắc Khoảng cách phát vật thể lên tới 60m  Chúng hoạt động theo hai trạng thái có vật cản khơng có vật cản Ở trạng thái khơng có vật cản tượng phát thu xảy liên tục, dễ dàng tiếp nhận BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Trang 29 Ở trạng thái có vật cản phận phát sáng hoạt động bình thường phận thu sáng khơng tiếp nhận ánh sáng có vật cản  Loại cảm biến quang thu phát độc lập ưa dùng mơi trường có phản xạ ánh sáng cao ** *Cảm biến quang phản xạ gương BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 30  Loại cảm biến có phận phát thu ánh sáng thiết bị kết hợp gương phản xạ Gương phản xạ lăng kính có thiết kế đặc biệt Có thể phát vật thể suốt mờ cự ly nằm 15m  Chúng hoạt động theo hai trạng thái có vật cản khơng có vật cản Bộ phận phát sáng phát ánh sáng đến gương Trong trường hợp khơng có vật cản gương phản xạ lại thu ánh sáng, cịn có vật cản tần số ánh sáng phản xạ bị thay đổi làm ánh sáng *Cảm biến quang phản xạ khuếch tán BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 31  Thiết bị cảm biến quang phản xạ khuếch tán có thu phát chung Thường sử dụng cho hệ thống máy tự động để phát vật thể giám sát thiết bị Thiết bị dễ bị ảnh hưởng màu sắc bề mặt  Thiết bị hoạt động theo hai trạng thái có vật cản khơng có vật cản Khi có vật cản cảm biến phát sáng liên tục đến bề mặt vật cản, ánh sáng ngược vị trí thu sáng thiết bị Khi khơng có vật cản ánh sáng khơng phản xạ lại vị trí thu sáng, bề mặt khơng phản xạ ánh sáng vị trí thu *Cảm biến quang phát màu sắc BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 32  Thiết bị sử dụng để cảm biến nhận dạng màu sắc, cài đặt theo lập trình sẵn để nhận dạng loại màu sắc khác  Chúng hoạt động giống cảm biến quang phản xạ khuếch tán cảm biến hoạt động chọn lọc, phát tín hiệu nhận màu lập trình 1.5.4 Ứng dụng cảm biến quang Cảm biến quang ngày sử dụng khả phổ biến từ sống đến cơng nghiệp Một số ví dụ thực tế như: Các hoạt động sản xuất công nghiệp: q trình đóng hộp, chai cho sản phẩm; kiểm tra sản phẩm thiếu tem, nhãn; di chuyển sản phẩm dây chuyền băng tải; kiểm tra sản phẩm trình rửa,… Đảm bảo an ninh an toàn cho hệ thống: hệ thống nhà xe, phát xe bãi giữ, kiểm soát người vật thể qua lại cổng an ninh,… Hệ thống nước tự động xuất vật thể,… BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 33 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH Đề tài: Hệ thớng phát vật cản sử dụng cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 2.1.1 Linh kiện sử dụng mạch: 2.1.1.1 Cảm Biến Siêu Âm UltraSonic HY-SRF05 Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 sử dụng để nhận biết khoảng cách từ vật thể đến cảm biến nhờ sóng siêu âm, cảm biến có thời gian phản hồi nhanh, độ xác cao, phù hợp cho ứng dụng phát vật cản, đo khoảng cách sóng siêu âm Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 có hai cách sử dụng sử dụng cặp chân Echo / Trigger sử dụng chân Out để phát nhận tín hiệu, cảm biến sử dụng phổ biến với vô số thư viện Code mẫu với Arduino Thông số kỹ thuật:  Điện áp hoạt động: 5VDC  Dòng tiêu thụ: 10~40mA  Tín hiệu giao tiếp: TTL  Chân tín hiệu: Echo, Trigger (thường dùng) Out (ít dùng)  Góc quét: